Holographie in Wissenschaft und Technik - Pro-Physik.de

Optik
Holographie in Wissenschaft und Technik
Sicherheitsmerkmale und Datenspeicher sind nur zwei der vielfältigen Anwendungen
von Hologrammen.
Karsten Buse und Elisabeth Soergel
Holographie ist mehr als nur eine faszinierende
Methode, wirklichkeitsgetreue und dreidimensionale
Abbilder von Gegenständen herzustellen.
Davon zeugt die breite Palette von Anwendungen
in Wissenschaft in Technik. Zudem
führt die Entwicklung holographischer Aufzeichnungsmaterialien
zu interessanten physikalischen
Fragen.
Das Wort „Holographie“ setzt sich aus den griechischen
Vokabeln „holos“ und „graphein“, also
„ganz“ und „schreiben“, zusammen. Dies soll
ausdrücken, dass die Holographie ein Verfahren ist,
um die von Objekten ausgehenden Lichtwellen vollständig
aufzuzeichnen, also mit ihrer dreidimensionalen
Tiefeninformation. Während dreidimensionale Abbildungen
leicht zu bewerkstelligen sind – jede Linse
erhält die Tiefeninformation – ist es wesentlich schwieriger,
die gesamte Information von Lichtwellen aufzuzeichnen.
Bei der Fotographie werden die Intensitäten,
also die Amplituden, einer Lichtwelle registriert. Fotos
halten aber nicht die Phasenfront einer Lichtwelle fest,
die Tiefeninformation der rekonstruierten Objekte geht
verloren: Wenn man ein Foto dreht, kann man nicht
hinter Gegenstände schauen. Das ist bei der holographischen
Rekonstruktion anders: Bewegt sich der Beobachter,
so ändert sich das Bild, wie es für dreidimensionale
Lichtwellen sein sollte, und der Betrachter
kann – innerhalb gewisser Grenzen – auch hinter Objekte
schauen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die
Nutzung der Holographie in der Archäologie.
Die Holographie geht auf Dennis Gabor zurück, der
dieses Arbeitsgebiet mit seiner Veröffentlichung „A
new microscopic principle“ 1948 begründet hat [1].
Aber erst mit der Entwicklung des Lasers in den 60er-
Jahren hat die Holographie Bedeutung erlangt, und
1971 erhielt Gabor für seine Entdeckung den Physik-
Nobelpreis. Das holographische Prinzip beruht darauf,
dass mit Hilfe der Interferenz die Form der Phasenfront
einer Welle als Intensitätsmuster sichtbar gemacht
werden kann. Dazu wird die „Signalwelle“ mit einer
kohärenten „Referenzwelle“ überlagert. Das entstehende
Interferenzmuster wird aufgezeichnet, und man erhält
ein Hologramm. Anschließende Beleuchtung des
Hologramms mit der Referenzwelle rekonstruiert durch
Beugung die Signalwelle [3]. Abbildung 2 veranschaulicht
das Schreiben und Lesen eines Hologramms.
Ein einfaches Beispiel macht das holographische
© 2003 WILEY-VCHVerlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1617-9439/03/0303-37 $17.50+50/0
Prinzip deutlich: Stellen wir uns vor, dass Signal- und
Referenzwelle ebene Wellen sind. Das Interferenzmuster
ist dann ein Gitter. Dieses wird auf einem Film
in ein periodisches Muster umgesetzt. Nachfolgende
Beleuchtung mit der Referenzwelle erzeugt durch
Beugung eine ebene Welle, die ursprüngliche Signalwelle.
In diesem Sinn kann ein Gitter als elementares
Hologramm bezeichnet werden.
Dass sich mit dem Verfahren auch beliebige Lichtwellen
vollständig aufzeichnen und rekonstruieren las-
Abb. 2:
Schreiben und Lesen eines Hologramms. Die Signalwelle S und
die kohärente Referenzwelle R werden überlagert. Das entstehende
Interferenzmuster wird aufgezeichnet, und man erhält
ein Hologramm. Nachfolgende Beleuchtung des Hologramms
mit dem Referenzlicht R rekonstruiert durch Beugung vollständig
die ursprüngliche Signalwelle S.
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2 (2003) Nr. 3
Überblick
Abb. 1:
Die Holographie
lässt sich z. B. in
der Archäologie
bei der Entzifferung
von Keilschrift
anwenden —
wie hier auf einer
antiken Tontafel
aus dem Zypern-
Museum in Nicosea.
Wichtige
Informationen verbergen
sich in der
Eindrucktiefe, die
sich besonders gut
mit Hilfe einer
dreidimensionalen
holographischen
Abbildung sichtbar
machen lässt. (G.
von Bally, F. Dreesen,
H. Deleré, Uni
Münster [2])
Prof. Dr. Karsten
Buse, Dr. Elisabeth
Soergel, Universität
Bonn, Physikalisches
Institut, Wegelerstraße
8, 53115
Bonn
37

Überblick
Abb. 3:
�� Oben: Mit Hilfe eines Mikroskops aufgenommenes
Foto eines Hologramms.
Die von dem Interferenzmuster bei der
Hologrammaufzeichnung hervorgerufenen
Schwärzungen sind deutlich zu
erkennen.
�� Unten: Aufgezeichnetes Bild (links)
und rekonstruiertes Bild (rechts) (Quelle:
Nobelstiftung, Gabor 1948)
38
sen, zeigt eine sehr einfache Rechnung: Wir bezeichnen
die komplexen Amplituden der Signal- und Referenzwelle
mit S und R. Die Wellen werden überlagert,
und für die Intensitätsverteilung I des Interferenzmusters
gilt
I � �R + S� 2 = �R� 2 + �S� 2 + R ∗ S + RS ∗ . (1)
Der Stern zeigt dabei die komplexe Konjugation an.
Das Interferenzmuster werde durch einen Film aufgezeichnet.
Die Transmission t des Films soll linear mit
der eingefallenen Lichtmenge abnehmen, d. h. t = a –
b (�R + S� 2 ), wobei a und b konstante Parameter sind,
die den Film charakterisieren. Der entwickelte Film
wird mit dem Referenzlicht beleuchtet, und wir erhalten
hinter dem Film die folgende Lichtverteilung:
R t = R [a – b (�R� 2 + �S� 2 + R ∗ S + R S ∗ )]. (2)
Der entscheidende Term auf der rechten Seite ist
RR ∗ S = �R� 2 S. Dabei steht �R� 2 für einen konstanten
Faktor, der keinen Beitrag zur Phase liefert. Die Signalwelle
S wird also vollständig mit der ursprünglichen
Phaseninformation rekonstruiert. Die anderen Terme
in Gleichung (2) stellen den transmittierten Teil der
Referenzwelle sowie weiteres gebeugtes Licht dar. Da
die Wellen S und R in der Regel verschiedene Ausbreitungsrichtungen
haben, fällt eine räumliche Trennung
der Lichtwellen leicht.
Die physikalische Größe des Hologramms legt fest,
welcher Winkelbereich des 3D-Bilds später rekonstruiert
werden kann. Jeder Punkt des Hologramms stellt
quasi einen Beobachter dar. Die Summe der Informationen,
die alle Beobachter sehen, wird gespeichert.
Schauen wir uns ein Hologramm unter dem Mikroskop
an (Abb. 3), so ist das aufgezeichnete Bild nicht
zu erkennen. Nur das während der Aufzeichnung vorhandene
Interferenzmuster ist als Schwärzung zu sehen.
Die Rekonstruktion des Bilds erfolgt erst durch
Lichtbeugung. Letztlich beeinflusst jeder Punkt des
aufgezeichneten Objekts das ganze Interferenzmuster.
Aus diesem Grund lassen sich auch mit nur teilweise
beleuchteten Hologrammen noch Bilder rekonstruieren.
Klassifizierung von Hologrammen
Für das obige Beispiel wurde ein absorbierendes
Aufzeichnungsmaterial verwendet. Ein solches Hologramm
wird als Amplitudenhologramm bezeichnet,
weil beim Lesen die Beugung durch eine räumliche
Modulation der Amplitude der Lichtwelle hervorgerufen
wird. Aber auch durch die Veränderung des Bre-
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chungsindexes oder der Dicke eines transparenten Materials
lassen sich Wellen holographisch aufzeichnen.
Dann spricht man von Phasenhologrammen.
Das Schreiben der Hologramme erfordert Interferenz.
Die Lichtquelle muss eine ausreichende zeitliche
und räumliche Kohärenz aufweisen, wobei die Anforderungen
durch die Größe des aufzuzeichnenden Objekts
bestimmt werden. Daher sind als Lichtquellen Laser
prädestiniert. Auch ist es wichtig, dass der optische
Aufbau während des Schreibens der Hologramme mechanisch
stabil ist. Vibrationen von einem Bruchteil
der Wellenlänge verwaschen das Interferenzmuster und
reduzieren die Bildqualität. Um die Probleme beim
Schreiben zu vermeiden, werden auch computergenerierte
Hologramme verwendet. Dabei wird das Interferenzmuster
berechnet und das Hologramm hergestellt,
z. B. indem eine Nadel Punkt für Punkt Vertiefungen in
ein Polymer drückt, sodass nach einer Verspiegelung
ein Reflexions-Phasenhologramm vorliegt.
Das Lesen der Hologramme ist verglichen mit dem
Schreiben unproblematisch: Eine Glühlampe und ein
Farbglasfilter erzeugen in der Regel schon genügend
Monochromasie, um Hologramme zu lesen, weil es ja
dabei auf die Beugung von Licht und nicht auf die Interferenz
ankommt. Aus dem selben Grund stören auch
Phasenfluktuationen der Lichtquelle den Leseprozess
nicht. Selbst bei der Nutzung weißen Lichts lassen sich
Hologramme häufig noch auslesen, nur erscheint das
rekonstruierte Bild dann je nach Betrachtungswinkel in
verschiedenen Farben. Das kann man z. B. schön bei
Hologrammen auf EC-Karten beobachten. Werden Hologramme
mit roten, grünen und blauen Laserstrahlen
geschrieben und im selben Aufzeichnungsmaterial
überlagert, so entsteht beim Lesen mit weißem Licht
die Superposition aus den drei Bildern. Solche Weißlichthologramme
liefern dreidimensionale Bilder in
Echtfarben.
Ist die Dicke des Aufzeichnungsmaterials kleiner
oder vergleichbar mit der Lichtwellenlänge, so wird
von einem dünnen Hologramm gesprochen. Entspre-
Abb. 4:
Bragg-Bedingung beim Lesen von dicken Hologrammen. Veranschaulichung
im Photonenbild (links) und im Wellenbild
(rechts).
�� Links: Bei der Beugung von Licht an einem Gitter mit dem
Gittervektor K kann das Gitter den Impuls !K übertragen. Der
Stoß ist elastisch, die Wellenvektoren kR und kS haben also die
gleiche Länge. Aufgrund der Impulserhaltung bilden daher kR ,
kS und K ein gleichseitiges Dreieck. Unter Berücksichtigung,
dass der Betrag des Gittervektors K gleich 2p/L und der Betrag
der Wellenvektoren gleich 2p/l ist, führt das zu der Beziehung
l =2 L sinOO
.
�� Rechts: An verschiedenen Gitterebenen (Abstand L) reflektiertes
Licht muss in Phase sein, damit es gebeugt wird. Dazu
muss die Strecke s gleich l/2 sein. Auch diese Herleitung führt
zu der Beziehung l = 2 L sin OO
.

chend ist bei dicken Hologrammen das Aufzeichnungsmaterial
wesentlich dicker als die Lichtwellenlänge.
Dicke Hologramme zeichnen sich dadurch aus, dass
die Signalwelle nur rekonstruiert werden kann, wenn
die Bragg-Bedingung erfüllt ist [4]. Der Name macht
schon deutlich: Der Prozess ist analog zur Beugung
von Röntgenlicht an Kristallen. Die Beugungseffizienz
hängt stark von Wellenlänge und Einfallswinkel des
Referenzlichts ab. Der Übergang zwischen dünnen und
dicken Hologrammen ist fließend. Mit zunehmender
Dicke müssen Lesewellenlänge und -winkel immer genauer
getroffen werden, damit das Hologramm gelesen
wird. Höhere Beugungsordnungen kommen bei dünnen
Hologrammen vor, treten bei dicken Hologrammen,
die auch als Volumenhologramme bezeichnet
werden, aber nicht auf.
Die Bragg-Bedingung lässt sich sowohl im Photonenbild
als Konsequenz der Impulserhaltung als auch
im Wellenbild veranschaulichen, wie es in Abb. 4 für
elementare Hologramme gezeigt ist. In beiden Fällen
folgt aus der Konstruktion, dass die Wellenlänge l des
Leselichts über l =2 L sinO mit der Periodenlänge L
des holographischen Gitters und dem Einfalls- und Lesewinkel
O verknüpft ist. Die Signalwelle wird also nur
dann erzeugt, wenn das Referenzlicht die Bragg-Bedingung
erfüllt. Was wie ein Nachteil klingt, ist einer der
wesentlichen Vorzüge der Holographie: In einem Volumen
lassen sich viele Hologramme multiplexen, also
überlagern, wenn von Aufzeichnung zu Aufzeichnung
z. B. die Einfallsrichtung der Referenzwelle um wenige
hundertstel Grad verändert wird. Auf diese Art ist es
gelungen, bis zu 10 000 Hologramme in einem Volumen
zu überlagern und später einzeln auszulesen [5].
Beliebige Hologramme können allgemein als Fourier-
Summe holographischer Gitter dargestellt werden, sodass
die anhand von Gittern besprochenen Eigenschaften
auch ganz allgemein für Hologramme gelten.
Schließlich unterscheidet man noch zwischen statischen
und dynamischen Hologrammen. Hologramme,
die während des Schreibens nicht auf die Schreibwelle
zurückwirken, werden als statisch bezeichnet. Demgegenüber
wird bei dynamischen Hologrammen bereits
während des Schreibens ein Teil des Referenzlichts an
dem Hologramm gebeugt. Ist die Signalwelle intensitätsschwach,
so kann diese Selbstbeugung das Signallicht
bereits während des Schreibens verstärken. Damit
wächst aber bei dicken Hologrammen im hinteren,
dem einfallenden Licht abgewandten Bereich der Kontrast
des Interferenzmusters, das Hologramm wird stärker,
und die Intensität der Signalwelle wächst weiter.
Auf diese Art wurden Bilder optisch vieltausendfach in
der Intensität verstärkt [6].
Holographische Aufzeichnungsmaterialien
Bei der Holographie erfordert das Aufzeichnungsmaterial
besondere Aufmerksamkeit [7, 8]: Für sichtbares
Licht liegen die Periodenlängen L der Interferenzmuster
typischerweise zwischen 0,2 und 10 mm. Das
holographische Aufzeichnungsmaterial muss also in
der Lage sein, diese kleinen Strukturen aufzulösen.
Standard-Fotofilme sind dafür schlecht geeignet. Spezielle
Silber-Halogenid-Emulsionen mit besonders kleinen
Kristalliten und einer Auflösung von typisch 5000
Linien/mm sind erforderlich. Auch Polymere, in denen
das Licht den Polymerisationsprozess auslöst und damit
zu Dichte- und Brechungsindexmustern führt, erreichen
die benötigte Auflösung [8].
Der photographische Prozess und die Photopolymerisation
sind nicht reversibel. Vielfach ist es jedoch
wünschenswert, das Aufzeichnungsmaterial mehrfach
zu verwenden. Hier werden hauptsächlich Thermoplaste
eingesetzt. Dabei führt das Lichtmuster zu einer
Ladungsverteilung an der Oberfläche, die sich bei Erwärmung
entsprechend der elektrostatischen Kraftverteilung
deformiert und somit ein Phasenhologramm
bildet. Spätere Erwärmung zu noch höheren Temperaturen
sorgt wieder für einen gleichmäßigen Polymerfilm.
Thermoplaste zeigen jedoch im Dauereinsatz Verschleißerscheinungen
und sind insbesondere schlecht
geeignet, um mehrere Hologramme zu überlagern. Als
reversibles Aufzeichnungsmaterial für Phasenhologramme
werden auch photoadressierbare Polymere untersucht.
Dabei führt das Licht zu einer Ausrichtung
von Chromophoren, die als Seitenketten an die Polymerhauptkette
gebunden sind. Große polarisationsabhängige
Absorptions- und Brechungsindexänderungen
sind die Folge [8].
Photorefraktive Kristalle sind ein weiteres reversibles
Aufzeichnungsmaterial [8, 9]. Abbildung 5 veranschaulicht
den photorefraktiven Prozess. Lithiumniobat
(LiNbO 3 ), Bariumtitanat (BaTiO 3 ) und Gallium-
Arsenid (GaAs) zeigen beispielsweise photorefraktive
Eigenschaften. Inhomogene Beleuchtung regt aus Störstellen
Elektronen in das Leitungsband oder Löcher in
das Valenzband an. Die Ladungsträger werden aufgrund
von Diffusion, Drift und dem so genannten volumenphotovoltaischen
Effekt umverteilt und bevorzugt
in den dunkleren Gebieten von Störstellen wieder eingefangen.
Elektrische Raumladungsfelder bauen sich
auf, die über den linearen elektrooptischen Effekt den
Brechungsindex ändern. Auch mit diesem Prozess lassen
sich Volumenphasenhologramme schreiben.
Die große Dicke und die ausgezeichnete Stabilität
photorefraktiver Kristalle erlauben es, Volumenphasenhologramme
über lange Zeiten zu speichern. Neben
den Kristallen wurden auch photorefraktive Polymere
entwickelt [8, 10]. Preiswerte und flexible Herstellung
sowie kleine Antwortzeiten und große Brechungsin-
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2 (2003) Nr. 3
Überblick
Abb. 5:
Photorefraktiver Prozess in elektrooptischen
Materialien. Eine räumlich
inhomogene Intensitätsverteilung I regt
Elektronen aus Störstellen in das Leitungsband
an. Die freien Elektronen
der Dichte N werden z. B. aufgrund der
Diffusion in die dunkleren Gebiete transportiert
und dort von Störstellen eingefangen.
Ein Raumladungsmuster r baut
sich auf und sorgt für ein elektrisches
Raumladungsfeld E, welches über den
elektrooptischen Effekt den Brechungsindex
n moduliert (x: Ortskoordinate, L:
Periodenlänge).
39

Überblick
40
dexänderungen sind hier die Vorteile. Von der Anwendung
her ergänzen sie komplementär die photorefraktiven
Kristalle.
Die Untersuchung der Ursachen und der Dynamik
des lichtinduzierten Ladungstransports in photorefraktiven
Kristallen beinhaltet viele spannende physikalische
Fragen, die bis heute erst teilweise beantwortet
sind [11]. Die Kenntnisse erlauben es aber bereits jetzt,
die Materialien für Anwendungen gezielt maßzuschneidern.
Beispielsweise ist die Lebensdauer der Hologramme
häufig sehr wichtig. In photorefraktiven Kristallen
lässt sich das elektronische Raumladungsmuster
durch Erwärmen der Proben in ein ionisches Muster
umkopieren, welches dann bei Raumtemperatur stabil
ist. In Kristallen wie LiNbO 3 spielen bei diesem thermischen
Fixieren bewegliche H + -Ionen eine große Rolle.
Wir haben zeigen können, dass der Prozess aber immer
noch funktioniert, wenn die H + -Ionen vollständig
entfernt werden [12]. Es gibt starke Indizien, dass in
diesem Fall die Li + -Ionen diffundieren und damit das
Hologramm fixieren. Aus Messungen bei höheren
Temperaturen und Messungen der Aktivierungsenergie
lässt sich schließen, dass optimal fixierte Hologramme
Lebensdauern von mehr als 100 000 Jahren erreichen.
Für eine Reihe praktischer Anwendungen war die
Lösung des „Lebensdauer-Problems“ entscheidend.
Hologramme als Sicherheitsmerkmale
Hologramme zu kopieren ist schwierig, da es sich
um eine Mikrostruktur mit makroskopischen Ausdehnungen
handelt. Diese Struktur muss mikroskopisch
vermessen und dann Punkt für Punkt kopiert werden,
oder das Original-Hologramm muss optisch rekonstruiert
und erneut mit einer Referenzwelle zur Überlagerung
gebracht werden. Beide Verfahren sind aufwändig.
Daher werden Hologramme gern als Sicherheitsmerkmal
verwendet, z. B. auf Kredit- und Scheckkarten,
auf Banknoten und in Reisepässen. Für massenhaft
eingesetzte gleiche Hologramme kommt die
Prägetechnik zum Einsatz: Von einem Tiefenrelief,
welches ein Reflexionsphasenhologramm darstellt,
wird zunächst ein Stempel abgeformt. Dieser wird
Abb. 6:
Die neuen deutschen Ausweise und Reisepässe nutzen individualisierte
Hologramme als fälschungssichere Sicherheitsmerkmale
(1: Hologramm der Passinhaberin oder des Passinhabers,
2: Hologramm des dreidimensionalen Bundesadlers, 3–5: „kinetische“
Strukturen, 6 und 7: maschinenlesbare Schrift). Die
einzelnen Hologramme erscheinen nur unter bestimmten
Betrachtungswinkeln und nur in bestimmten Farben. (G. Dausmann,
Holographic Systems München GmbH)
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dann in Polymere gedrückt. Eine Reflexionsbeschichtung
des Reliefs, z. B. mit Aluminium oder mit Silber,
vervollständigt das Hologramm.
Ein noch höheres Maß an Sicherheit bieten individualisierte
Hologramme, die in Deutschland in den
neuen Ausweisen und Reisepässen zu finden sind
(Abb. 6) [13]. Das zweidimensionale Bild der Person
wird dabei holographisch auf einer Polymerschicht gespeichert.
Um ein dreidimensionales Bild der Person
zu erzielen, müsste eine dreidimensionale Vorlage vorhanden
sein, was nicht der Fall ist. Stattdessen wird
eine andere Eigenschaft der Hologramme ausgenutzt:
Aufgrund der Bragg-Bedingung erscheint später das
rekonstruierte zweidimensionale Bild nur unter einem
sehr begrenzten Winkelbereich und nur in einer bestimmten
Farbe. Die Hologramme sind also etwas
dicker als die auf EC-Karten verwendeten Prägehologramme,
die unter einem größeren Winkelbereich mit
verschiedenen Farben sichtbar werden. Besonders
wichtig ist hier die Technologie zur Verbindung des
holographischen Aufzeichnungsmaterials, eines Photopolymers,
mit der Drucktechnik der Pässe.
Holographische Interferometrie
Mit Hilfe der Holographie lassen sich Verformungen
von Objekten sehr genau nachweisen. Wird eine holographisch
gespeicherte Signalwelle rekonstruiert und
kohärent mit der aktuellen Signalwelle überlagert, so
lässt sich mit hoher Genauigkeit feststellen, ob sich das
Objekt in der Zwischenzeit verändert hat: Jede Änderung
der Objektform führt zu einer Phasenverschiebung
in der Signalwelle und somit bei der Überlagerung
der ursprünglichen mit der aktuellen Signalwelle
Abb. 7:
Holographisches Doppelbelichtungs-Interferogramm einer
Brücke. Das Foto oben zeigt das Messfeld. Jeder Interferenzstreifen
darauf (unten) entspricht einer Verformung des Objekts
um eine halbe Wellenlänge (ca. 0,4 mm). Die Zeitspanne zwischen
den beiden Hologramm-Aufnahmen beträgt ca. 400 ms.
Mit Hilfe der Untersuchungen soll die Schall-Emission der
Brücke beim Überfahren eines Zuges reduziert werden. Zur
Unterdrückung der Schallemission sind an den Schwingungsbäuchen
mechanische Verstärkungen anzubringen. (Steinbichler
Optotechnik GmbH, Neubeuern)

zu Interferenz. Ein Interferenzstreifen entspricht dabei
einer Verschiebung des Objekts um eine halbe Wellenlänge.
Das Verfahren ist besonders gut geeignet, um
Verformungen von Objekten durch Erwärmung oder
mechanische Einflüsse zu messen. Es gibt ferner zahlreiche
Tricks, um Bewegungen zeitaufgelöst zu messen:
Mit Laserpulsen werden zwei Hologramme mit gleichen
Referenzwellen aufgenommen. Später werden die
Hologramme gleichzeitig rekonstruiert. Die Deformation,
die das Objekt zwischen den beiden Aufnahmen
erfahren hat, wird so sichtbar („Doppelpuls-Holographie“,
Abb. 7).
Heutzutage wird in Wissenschaft und Technik aber
häufiger die elektronische Speckle-Interferometrie
(ESPI) eingesetzt, um Deformationen und Schwingungen
zu untersuchen. Dieses Verfahren wurde aus der
Holographie abgeleitet: Die Beleuchtung eines Objekts
mit kohärentem Licht erzeugt ein granuliertes Intensitätsmuster,
da aufgrund der Rauigkeit des Objekts
Streulicht entsteht, welches lokal zu konstruktiver und
destruktiver Interferenz führt. Dieses Streulicht stellt
das Signallicht dar, welches bei der ESPI mit einer Referenzwelle
überlagert wird. Anstelle der holographischen
Platte wird eine digitale Kamera aufgestellt. Das
hat den Vorteil, dass sich die Daten direkt digital weiterverarbeiten
lassen. Da die Pixel einer CCD-Kamera
mindestens einige Quadrat-Mikrometer groß sind, ist
die Aufnahme holographischer Interferenzmuster
aufgrund mangelnder Auflösung nicht möglich. Die
Speckle-Muster sind aber grob genug, um direkt digital
aufgenommen zu werden. Aus einem einzelnen Bild
kann keine Information gewonnen werden. Bewegt
sich das Objekt jedoch, so ändert sich die Phasenlage
zwischen Speckle-Muster und Referenzwelle, was zu
Intensitätsänderungen führt. Nimmt man also mehrere
Bilder hintereinander auf, so lässt sich aus den Intensitätsänderungen
auf Bewegungen schließen (Abb. 8).
Holographische Wellenlängenfilter
Dicke Reflexionshologramme können als schmalbandige
Wellenlängenfilter dienen, die für Anwendungen
in der Telekommunikation von Interesse sind [14].
Hier ist das oben beschriebene Fixieren der Hologramme
von entscheidender Bedeutung [12]. Als Aufzeichnungsmaterial
für solche Filter dienen photorefraktive
Kristalle (Abb. 9). Lichtinduzierte Brechungsindexänderungen
von ca. 10 –3 erlauben Beugungseffizienzen
größer als 99,9 %. Die Wellenlängenfilter können dann
als passive optische Komponente genutzt werden. Abbildung
9 zeigt auch das Wellenlängenprofil eines Filters,
in dem 41 Gitter überlagert, „gemultiplext“ sind.
Diese decken das so genannte „C-Band“ der Telekommunikation
im Wellenlängenbereich um 1550 nm ab
und liegen jeweils ca. 0,8 nm auseinander. Jeder Kanal
entspricht einer Wellenlänge, wie sie in Glasfasernetzen
genutzt wird. Filter dieser Art können an Knoten
einzelne Kanäle abtrennen oder hinzufügen („tunable
add-drop multiplexer“). Diese in der eigenen Gruppe
an der Universität Osnabrück und ab 2000 an der
Universität Bonn entwickelte Anwendung ist so vielversprechend,
dass aus der Forschung eine Firmenausgründung
hervorgegangen ist (www.ondax.com).
Holographische Datenspeicher
Seit den 60er Jahren sind holographische Datenspeicher
mit ihren faszinierenden Möglichkeiten in der
Diskussion [15, 16]. Gegenüber konventionellen Spei-
chern ist ein Schlüsselvorteil holographischer Systeme,
dass sie das ganze Volumen des Speichermaterials nutzen.
Aufgrund der Bragg-Bedingung lassen sich im selben
Volumen viele Hologramme überlagern. In einem
Würfel, der als Kantenlänge die Wellenlänge aufweist,
sollte sich ca. ein Bit speichern lassen. Bei dem Volumen
einer Compakt-Disk (CD) entspricht das mehr als
10 Terabyte (10 000 GByte) an Daten. Praktische Demonstrationssysteme
sind aber noch weit von dieser
Grenze entfernt. Ein neuer Ansatz, ein holographisches
Speichersystem zu realisieren, stammt von der
TU Berlin [17]. Wie in Abb. 10 gezeigt ist, werden dabei
keine Bilder, sondern mikroholographische Gitter geschrieben.
Der Durchmesser beträgt ca. eine Lichtwellenlänge.
Viele Gitter können an jeder Stelle überlagert
und mit verschiedenen Lichtwellenlängen ausgelesen
werden. Beim Lesen verhält sich das System ähnlich
wie eine CD: An einzelnen Stellen wird viel oder wenig
Licht reflektiert. Diese „holographische CD“ kann aber
mit Licht verschiedener Wellenlänge gelesen werden.
Dabei entspricht jede neue Farbe wieder neuen Informationen.
Das System hat den Vorzug, dass es auf vorhandene
und sehr weit entwickelte Technologien von
CD und DVD („digital versatile disk“) aufbaut.
Abb. 9:
�� Links: Schreiben eines Reflexionsfilters
für infrarotes Licht in einem photorefraktiven
Kristall. Zwei ebene grüne
Wellen erzeugen ein gitterförmiges
Interferenzmuster, welches in ein Brechungsindexmuster
umgesetzt wird („elementares
Hologramm“). Dieses wirkt für
infrarotes Licht wie ein Spiegel, aber nur
wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist.
Fällt das infrarote Licht praktisch senkrecht
ein, so wird nur Licht der
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2 (2003) Nr. 3
Überblick
Abb. 8:
Elektronische Speckle-Interferometrie.
Die Tür eines Autos wurde bei der Frequenz
240 Hz zu Schwingungen angeregt.
Die Kamera hat im zeitlichen
Abstand von 350 ms drei Aufnahmen
gemacht. Die Bilder zeigen die verstetigten
und skalierten Auslenkungen, die
aus den Differenzen der Bilder 1 und 2
bzw. 2 und 3 erhalten wurden. (Steinbichler
Optotechnik GmbH, Neubeuern)
Wellenlänge l IR ≈ 2Ln gebeugt, wobei l IR
die Vakuum-Wellenlänge des infraroten
Lichts, L die Periodenlänge des Brechungsindexmusters
und n den mittleren
Brechungsindex des Materials bezeichnen.
�� Rechts: Beugungseffizienz über der
Lichtfrequenz für ein Wellenlängenfilter,
in dem 41 Gitter räumlich überlagert
wurden. (Ondax Inc., Monrovia, USA)
41

Überblick
Abb. 10:
Datenspeicherung mit Mikrohologrammen.
Fokussierte Laserstrahlen schreiben
in Reflexionsgeometrie Mikrohologramme
(links). An jedem Ort sind mehrere
mikroholographische Gitter im selben
Volumen überlagert (rechts). Die Spei-
Abb. 12:
�� Links: Schematische Darstellung eines
„LLL-Interferometers“ mit holographisch
hergestellten Beugungsgittern. Hinter
dem dritten Gitter kommt es zu Interferenz.
Die Phasenlage der interferierenden
Neutronen kann durch eine drehbare
planparallele Platte zwischen dem 1. und
2. Gitter variiert werden.
�� Rechts: Intensität der Neutronen in
42
Weitere Anwendungen
Holographie lässt sich vielfältig zur Untersuchung
photosensitiver Materialien eingesetzen [18]. Werden
etwa photosensitive Materialien, die also durch Beleuchtung
ihren Brechungsindex oder ihre Absorption
ändern, mit einem einzelnen intensiven kohärenten
Laserstrahl beleuchtet, so können hinter dem Objekt
interessante Streumuster, z. B. Kreise auftreten. Dieser
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2 (2003) Nr. 3
cherkapazität wird im Vergleich mit der
einer Compact-Disk (CD) um einen Faktor
erhöht, der gleich der Zahl der bei
verschiedenen Wellenlängen überlagerbaren
Gitter ist. (H. J. Eichler,
S. Orlic, TU Berlin)
Abb. 11:
Holographische Streuung in einem photorefraktiven Lithiumniobat-Kristall.
Der Streukreis hinter dem Kristall entsteht
durch die holographische Verstärkung schwacher Streuwellen.
Das Streulicht ist senkrecht zum einfallenden Licht polarisiert
(anisotrope Beugung) und kann mit einem Polarisator, der hinter
dem Kristall sichtbar ist, unterdrückt werden. (M. Imlau, U
Osnabrück)
einem Ausgang des Interferometers über
der Änderung der geometrischen Weglängendifferenz
∆x zwischen den Neutronenstrahlen.
Der Abfall des Kontrasts der
Neutroneninterferenz für größer werdende
∆x ist auf die erhöhte Phasendifferenz
und die begrenzte Kohärenz der Neutronen
zurückzuführen. (M. Fally, R. A.
Rupp, U Wien,)
Effekt wird als „holographische Streuung“ bezeichnet.
Das einfallende Licht („Pumplicht“) interferiert mit
Streuwellen, die an immer vorhandenen Oberflächenoder
Volumenstreuzentren entstehen. Pump- und
Streuwellen schreiben somit ein Hologramm. Unter
geeigneten Bedingungen wird das Pumplicht daran so
gebeugt, dass die Streuwellen verstärkt werden. Das
führt dazu, dass das Hologramm weiter geschrieben
wird und größere Beugungseffizienzen erzielt. Dadurch
wird noch mehr Pumplicht in Richtung der Streuwellen
gebeugt. Es liegt ein sich selbst verstärkender Prozess
vor [19].
In doppelbrechenden Kristallen kommt es dabei zu
interessanten Variationen. Wird z. B. ein Spektrum an
Streugittern mit außerordentlich polarisiertem Licht
geschrieben, so sind auch Gittervektoren dabei, die die
Bragg-Bedingung für die „anisotrope Beugung“ erfüllen,
bei der ordentlich polarisiertes Licht entsteht. Dieses
lässt sich leicht mit einem Polarisator von dem anderen
Licht trennen (Abb. 11).
Aus dem Öffnungswinkel des Streukreises lässt sich
die Doppelbrechung des Materials bestimmen [20]. Damit
kann z. B. bei LiNbO 3 auf die Zusammensetzung
des Materials (Li-Gehalt) geschlossen werden, da
LiNbO 3 -Kristalle bis zu 5 % Li-Defizit aufweisen. Diese
Information ist z. B. wichtig, wenn LiNbO 3 für die
nichtlineare Optik eingesetzt wird [21].
Ein weiteres Beispiel für die holographische Materialcharakterisierung:
In photorefraktiven Kristallen
trägt die Diffusion zum Transport der Ladungsträger
bei. Die räumliche Lage der resultierenden Brechungsindexgitter
im Kristall hängt davon ab, ob Elektronen
oder Löcher diffundieren. Das erlaubt „holographische
Hall-Messungen“, die zur Bestimmung des Vorzeichens
der Ladungsträger herangezogen werden können, da
die Phase der holographisch gebeugten Welle diese
Information trägt [22].
Als abschließende Anwendung der Holographie sei
erwähnt, dass sich mit holographisch hergestellten
Gittern kalte Neutronen mit Beugungseffizienzen von
mehr als 50 % beugen lassen. Drei hintereinander positionierte
Gitter bilden ein so genanntes „LLL-Interferometer“,
wie es in Abb. 12 gezeigt ist. Damit ist erstmals
die Interferometrie mit kalten Neutronen gelungen;
eine Fülle von grundlegenden Experimenten und
angewandten Untersuchungen wird dadurch ermöglicht
[23].
Ausblick
Die ausgewählten Anwendungen zeigen, wie vielfältig
das von Gabor entdeckte holographische Prinzip
eingesetzt und fortentwickelt werden kann. Die Holographie
wird eine zunehmende Rolle auf dem großen
Themengebiet „Licht und Information“ spielen. Dabei
werden beispielsweise die Ultrakurzzeitphysik und die
Atomphysik von der Holographie beeinflusst und bereichert
[24, 25], und wir können gespannt sein, welche
Entwicklungen in naher Zukunft hinzukommen.
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(2002)
Die Autoren
Karsten Buse hat bereits während seiner
Diplom- und Doktorarbeit in Osnabrück
Erfahrungen mit der Holographie gesammelt.
Forschungsaufenthalte führten ihn
u. a. zum California Institute of Technology
(Caltech) in Pasadena und nach
Campinas (Brasilien). Er habilitierte sich
1997 in Osnabrück in der Arbeitsgruppe
Krätzig und wurde im Jahr 2000 auf den
Heinrich-Hertz-Stiftungslehrstuhl der
Deutschen Telekom AG an die Universität
Bonn berufen. Häufig ist er in Kalifornien;
gemeinsame Forschungsprojekte
mit Prof. Psaltis am Caltech und die
Sonne ziehen ihn dort hin. In Bonn entledigt
er sich seiner überschüssigen Energie
durch alltägliches Joggen am
Rhein. Elisabeth Soergel studierte erst
bis zur künstlerischen Reifeprüfung Violoncello
an der Musikhochschule Detmold,
bevor sie an der Universität München
das Physikstudium begann. Nach der Diplom- und
Doktorarbeit im Rastersondenbereich am MPI für
Quantenoptik ging sie als Postdoktorandin zum IBM Forschungslabor
nach Rüschlikon. Seit 2000 ist sie an der Universität
Bonn als wiss. Assistentin tätig. Die verbleibende
Zeit nutzt sie zur kontrollierten Erzeugung akustischer
Wellen auf ihrem Cello.
Physik Journal
2 (2003) Nr. 3
Überblick
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